vchilka.in.ua 1
Конспект вступної лекції до курсу «Генетика людини»

Зміна парадигм у генетиці

І.


Донедавна в генетиці панувало переконання, що вся ДНК того чи іншого гена будь-якого організму кодує певний фермент або поліпептид (складова частина майбутнього білка).

У 80-их роках минулого століття виявилося, що це вірно лише для прокаріотів. У еукаріотів усередині генів завжди є ділянки, які інформаційного сенсу не мають і, отже, нічого не кодують. Такі ділянки ДНК були названі інтронами (від англ.intervening zone – зона, яка втручається в смислову послідовність гена). Кодуючі ділянки генів дістали назву екзонів (від англ. expressing zone – зона, яка проявляється).

Чим досконалішим є організм, тим більше в його генах інтронів. Наприклад, у людини вони займають аж 75% ДНК геному і лише 25% її є кодуючими.
ІІ.

Вважалося також, що ген кодує лише один поліпептид чи фермент.

Однак, на сьогодні встановлено, що один ген здатен продукувати різні поліпептиди в клітинах різних тканин і на різних стадіях онтогенезу. Це можливе в результаті так званого сплайсингу (з англ. splising – зрощування, з’єднання)

При цьому із матричної РНК видаляються усі інтрони разом із екзонами, які зайві для синтезу визначеного пептиду. До того ж, інтрони і непотрібні екзони із первинного транскрипта видаляються не всі разом, а по черзі:

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю
Спласитьцйсиитбцнгорлю + еолдр
Сплайсиитбцнгорлю + еолдр + ситьц
Сплайсингорлю + еолдр + ситьц + итбц
Сплайсинг + еолдр + ситьц + итбц + орлю


Після цього залишені екзони з’єднуються. Одержаний матричний транскрипт використовується для синтезу пептиду в рибосомі.

Виявилося, що окремі гени здатні кодувати до 40 тис. структурно подібних, але функціонально різних білків. Наприклад, ген дрозофіли, який кодує один із білків аксона рецепторних нейронів, за рахунок сплайсингу може продукувати 38016 матричних РНК інших білків. А містить цей ген лише 95 альтернативних екзонів.


Іншим прикладом такого мозаїчного гена є ген людини, який у клітинах щитоподібної залози кодує гормон кальцитонін. Цей гормон складається із 32 амінокислот. Він знижує вміст кальцію в крові. У клітинах гіпоталамуса (частина проміжного мозку, яка регулює вегетативні функції організму) даний ген кодує поліпептид, який складається із 37 амінокислот і діє як сильний судинорозширюючий фактор.

Чи всі гени організму функціонують шляхом альтернативного сплайсингу? На даний час відомо, що принаймні 74% генів людини функціонує саме таким способом.

Той, чи інший спосіб альтернативного сплайсингу значною мірою визначається регуляторними впливами клітини залежно від її стану. Стан же клітини залежить від того, до якої тканини вона належить, на якій стадії онтогенезу перебуває даний організм, які сигнали та речовини вона одержує в даний час із оточуючого середовища.
ІІІ.

Виявилося також, що характер активності гена залежить від того, перейшов він до дитини від батька, чи від матері. Це явище виявлено у численних організмів і дістало назву геномного імпринтингу.

Геномний імпринтинг полягає в тому, що окремі гени в статевих клітинах батьків маркуються («мітяться») шляхом метилування ДНК (приєднання метальної групи ––СН3 до цитозину). При цьому генетична структура гена не змінюється, але маркований ген у потомства не функціонує.

Деякі гени вимикаються в чоловічих гаметах, деякі – в жіночих. Внаслідок цього частину ознак діти успадковують від матері, а частину – від батька. В статевих клітинах дітей колишні мітки замінюються новими, і у внуків можуть з’явитися ознаки діда чи баби, які не виявилися у батьків.

На даний час у людини виявлено понад 60 генів, які зазнають геномного імпринтингу. Більшість із них впливає на ріст і розвиток дитини, у тому числі на розвиток головного мозку.


Класичним прикладом геномного імпринтинґу у людини є ген IGF2, продукт якого стимулює ріст тіла та окремих органів.

У нормі алель цього гена, одержаний від батька, активний, а материнський алель – ні.

У випадку, коли обидва алеля активні, у дитини розвивається спадкова хвороба – синдром Беквіта – Відемана, яка характеризується надмірною масою та зростом при народження, великим язиком, випинанням пуповини тощо. При відсутності лікування розвивається розумова відсталість та невротичні розлади.

Діти, у яких обидва алеля неактивні, хворіють на синдром Рассела – Сільвера, клінічними ознаками якого є затримка фізичного розвитку, збільшений мозковий відділ черепа, трикутне обличчя, аномалії сечостатевої системи та інші. Розумова і психічна сфера хворих дітей розвиваються в межах норми.
ІV.

Було загальновизнаним також уявлення про геном живого організму (у тому числі і людини) як про сукупність генів (ДНК) хромосом ядра та мітохондрій.

У 80-их роках ХХ ст. стало очевидним, що геноми організмів набагато складніші як за структурою, так і за функціями. Виявилося, що геном, окрім стабільно локалізованих генів, має так звані мобільні генетичні елементи (МГЕ), частка яких, наприклад, у людини становить до 45% геному. Для порівняння: у ячменю їх до 80%, у дрозофіли – близько 15%, у дріжджів – близько 3%.

МГЕ здатні інтегруватися в хромосоми. Вони присутні у всіх хромосомах людини. Найбільше їх у статевих хромосомах, а серед аутосом – у хромосомі 19.

МГЕ були відкриті американським генетиком Барбарою МакКлінток (1902-1992) у кінці 40-их років минулого століття у кукурудзи (нині відомо, що тут вони складають близько 50% геному), за що вона на початку 80-их років одержала Нобелівську премію.


Існує два типи МГЕ: ДНК-транспозони та ретроелементи.


ДНК-транспозони є рухливими копіями генів, які розмножуються шляхом реплікації (подвоєння). У людини вони складають близько 3% ядерної ДНК і кодують різноманітні ферменти, у тому числі ДНК-полімеразу, ретровірусоподібні інтегрази, аденовірусоподібні протеази (група .ферментів білкового обміну).

Ретроелементи – це гени у вигляді РНК-копій та ендогенні ретровіруси. (У ретровірусів спадковим генетичним матеріалом є РНК). Вони розмножуються за допомогою зворотної транскрипції: РНК → ДНК. У людини ретроелементи складають до 42% геному і кодують, подібно до ДНК-транспозонів, різноманітні ферменти – ревертази (зворотні транскрипітази РНК → ДНК), рестриктази (розрізають молекули ДНК на фрагменти), ДНК-лігази (з’єднують фрагменти ДНК в єдину молекулу) тощо.
МГЕ здатні виконувати такі функції:


  • здійснювати рекомбінації геному («перетасовувати» гени; делеції, дуплікації, інверсії, транслокації),

  • регулювати активність генів,

  • перетворюватися у нові гени (природна генна інженерія; у людини, наприклад, гени RAG1 та RAG2 походять від ДНК-транспозонів; їх продукти беруть участь у процесі дозрівання лімфоцитів – вид лейкоцитів, які знищують певні види патогенних факторів),

  • спричинювати ряд спадкових захворювань (у людини: нейрофіброматоз, хвороба Тея-Сакса, рак грудей, гемофілія та інші).

Мутації, спричинені МГЕ, можуть виникати як в статевих, так і в соматичних клітинах.

Як правило, МГЕ знаходяться в неактивному стані, з якого їх можуть вивести певні чинники оточуючого середовища (стрес, наявність певних фізичних та хімічних факторів тощо).
V.

На підставі вищерозглянутих уявлень змінилося і розуміння явища мінливості.

Були відомі два типи мінливості – мутаційної (спадкової) та модифікаційної (неспадкової).

Нині виділяється 4 типи мінливості:
  • мутаційна,


  • варіаційна,

  • епігенетична,

  • модифікаційна.

Перші три мінливості – спадкові.

Мутаційна мінливість спричинюється змінами хімічної структури ДНК генів внаслідок помилок процесів матричних (реплікації, транскрипції, трансляції) та генетичних (репарації, рекомбінації, незалежного розподілу).

Кодується 4-літерним кодом (А, Т, Г, Ц), кількістю та топографією триплетів.

Зберігається в структурі ДНК.

Передається за допомогою реплікації.

Має випадковий характер у окремих особин.

Успадковується за законами Г. Менделя.

Приклади у людини: брахідактилія, альбінізм, синдром Марфана, муковісцидоз та інші.

Варіаційна мінливість визначається змінами хімічної структури ДНК генів внаслідок помилок процесів матричних (реплікації, транскрипції, трансляції) та генетичних (репарація, рекомбінація, незалежний розподіл) під дією умов усередині клітини у відповідь на фактори оточуючого середовища.

Кодується співвідношенням МГЕ до локалізованих генів, кількістю та топографією МГЕ у геномі.

Зберігається в структурі ДНК.

Передається за допомогою реплікації.

Має як випадковий характер у окремих особин, так і масовий, упорядкований і спрямований.

Успадковується як за законами Г. Менделя, так і шляхом МТХ-успадкування (цитоплазматичного) та тривалих модифікацій.

Приклади у людини: зріст, колір шкіри та волосся, здатність до навчання, хвороби зі спадковою схильністю (шизофренія, цукровий діабет та інші).

Епігенетична мінливість спричинюється характером взаємодій регуляторних макромолекул та кількістю їх у клітині.

Кодується шляхом регуляторних взаємодій макромолекул.

Зберігається не в ДНК (як при перших двох мінливостях), а завдяки циклічним (динамічним) зв’язкам генів.

Передається в результаті розподілу регуляторних молекул між дочірніми клітинами.


Виявляється не лише випадково, а й масово, спрямовано.

Успадковується не за законами Г. Менделя. У гібридного покоління може зникати.

Приклади у людини. Більшість генів людини здатні продукувати різні поліпептиди в клітинах різних тканин і на різних стадіях онтогенезу. Наприклад, один із таких генів у клітинах щитоподібної залози продукує фермент, який знижує вміст кальцію в крові, а в клітинах гіпоталамуса – судинорозширюючий поліпептид.

Модифікаційна мінливість спричинюється виключно умовами оточуючого середовища, в геномі не кодується і не успадковується. Прикладом може бути форма та сила м’язів спортсмена, що були сформованф шляхом спеціальних тренувань. Ця ознака дітям спортсмена не передається. Може успадкуватися лише здатність організму збільшувати масу та силу м’язів у результаті тренувань.